基于局域网内WindoWs下的TCP PMTUD仿真实验

耿玥+胡曦明

摘要：为研究TCP路径MTU发现机制机理实现过程，利用华三模拟器和虚拟机搭建局域网环境，设计出了具体的实验方案。通过使用FTP协议传输TCP数据包，结合协议分析捕获TCP报文，验证TCP协议在局域网内基于WINDOWS平台下的路径MTU发现机制工作过程，展示了TCP在遇到大的数据包时的分片问题，就实验结果进行分析。研究表明，在基于Windows平台搭建的局域网的环境下，TCP路径MTU探测机制并不能正常工作，从主机环境和路由器两方面分析原因，多种因素导致TCP路径MTU探测机制失效，引起IP分片问题，影响网络环境。

关键词：PMTUD；TCP；MTU；IP分片；协议分析

随着网络技术的不断发展，人们对网络性能的要求也不断提高。网络环境日益复杂，导致在传输数据包时出现拥塞、丢包等问题。IP分片是网络上传输报文的一种技术手段，在从一个具有较大MTU的网络转发到一个具有较小MTU的网络时，路由器需要把大的IP数据报分割成小的IP数据报分片，此过程成为IP数据报的分片，分片算法主要解决不同网络之间最大传输单元（MTU）不同的问题。IP分片技术在网络中尤为重要，在业务流识别技术中，针对IP分片识别，提出了一种高速有效、实时性强的”首片法利用数据包分片技术和Winpcap网络编程技术提高了音、视频应用传输质量。但是IP分片技术也引起不少问题，当传输一个大的数据包时，丢失一片数据包都会引起重传，导致网络性能降低，分析了IP分片对网络丢包率和延时等网络性能参数的影响；阐述了与UDP大包分片有关的故障案例。IP分片重组有不同的算法，采用“伸展树”这种数据结构可以实现高效的IP分片重组。另一方面，也可以通过对MTU的研究避免IP分片，目前主流的PMTU探测算法，如递增法，递减法，分层探测算法，以及有网络设计应整体规划MTU以避免IP分片的观点。本文主要介绍了TCP的路径MTU探测机制机理，通过具体的仿真实验，探索在局域网内windows环境下TCP路径MTU发现过程，以及其对IP分片问题的影响。

1TCP路径MTU发现机制机理

在和对端程序建立TCP连接的时候，双方要在第一个SYN报文中通报自己接口的MTU值，然后采用双方中最小的那个MTU值传输数据。一旦选定了起始的报文段大小，在该连接上的所有被TCP发送的IP数据报都将被设置DF比特。如果某个中间路由器的接口不能发送1500的IP包的时候则需要对一个设置了DF标志的数据报进行分片，它就丢弃这个数据报，并产生一个ICMP的“不能分片”差错。如果发送端收到这个ICMP差错，TCP就减少段大小并进行重传：如果路由器产生的是一个较新的该类ICMP差错，则报文段大小被设置为下一跳的MTU减去IP和TCP的首部长度。如果是一个较旧的该类ICMP差错，则必须尝试下一个可能的最小 MTU。

由于路由可以动态变化，因此在最后一次减少路径MTU的一段时间以后，可以尝试使用一个较大的值（直到等于对端声明的MSS或用新版ICMP输出接口MTU的最小值）。RFCll91推荐这个时间间隔为10分钟。

图1是建立的一个简单的模型：

当本地通讯端尝试发送一个588字节的且DF位置位的较大数据包时，路由器会产生一个PTB消息，指出适合下一跳链路的最大传输单元大小为288字节。在收到这个PTB消息后，TCP在发送下一个数据包时会按照指示选择288字节作为响应。

路径MTU发现过程是一种TCP明确的尝试调整段大小的方法，它适用于TCP链接建立之后，至少是在传输大量数据时。

2TCP路径MTU发现机制仿真实验

2.1实验环境

1）应用软件：华三模拟器、Oracle VM VirtualBox、Wear—shark；

2）实验拓扑图：

2.2实验过程

2.2.1不更改路由器端口MTU值下的实验

路由器0/0端口MTU=1500，主机与FTP服务器建立连接，传输271字节数据

1）实验过程：

2）实验结果

主机成功收到服务器發送的271字节数据。

2.2.2更改路由器端口MTU值下的实验

设置路由器0/0端口mtu=200，链接FTP服务器

1）实验过程

2）实验结果

主机成功收到服务器发送的271字节的数据

由此实验可以看出，服务器在第三次重传数据时把DF置0，然后路由器把这个大的数据包分成两个小包，第一个包有176字节数据，第二个包有95字节的数据，两次包加起来正好是271字节的数据包。因而被主机完整接受。

2.3分析实验结果

在本次试验中并没有抓到ICMP PTB报文，从两个方面分析原因：

（1）路由器

从思科官网查找到信息：

1）路由器丢包，并且不发送ICMP。

（2）路由器可以生成并发送ICMP消息胆ICMP消息被一个路由器或防火墙阻止这个路由器和发送方之间。

（2）主机

在关闭防火墙情况下，仍未抓到，对比文献第13章做的实验，分析出是网络环境和主机操作系统因素造成的。

3结论

在复杂的网络环境中，常常由于防火墙、网络环境等问题导致PMTUD不能正常运转，使得中间路由器对大数据包进行lP分片，影响资源利用率。当分片丢失造成重传时，会使网络性能严重降低，造成网络拥塞等情况。路径MTU探测机制在一定程度上可以优化网络环境，避免IP分片，值得我们推广应用。